[论文解读] Extending numerical simulations in SIMPSON: Electron paramagnetic resonance, dynamic nuclear polarisation, propagator splitting, pulse transients, and quadrupolar cross terms

David L. Goodwin, José P. Carvalho+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2026

Advanced NMR Techniques and Applications被引用 0

一句话总结

本论文介绍了对 SIMPSON 的 C++ 重新实现（v6.0），新增特性用于模拟 EPR、脉冲 DNP、传播算符分解、脉冲瞬态，以及高阶四极跨项，并改进了可视化与工作流集成。

ABSTRACT

Aimed at the simulation, design, and interpretation of advanced pulse experiments crossing the boundaries between nuclear magnetic resonance (NMR) and electron paramagnetic resonance (EPR), including the rapidly emerging, hybrid discipline of pulsed dynamic nuclear polarisation (DNP), we present a host of novel features in the widely used SIMPSON software package addressing these aspects. Along with this come new features for advanced pulse sequence evaluation in terms of propagator splitting, high-order spin operator cross terms, and pulse phase transients. These fundamental new tools are introduced in a C++-based next generation of the SIMPSON software, which improves calculations speed in some aspects, is better prepared for further developments, and facilitates easier community contributions to the open-source software package.

研究动机与目标

• 扩展 SIMPSON，使其能够模拟电子自旋动力学及 EPR/NMR 混合实验 包括 DNP。
• 通过传播算符分解和现代 C++ 架构提升计算效率。
• 为脉冲序列评估、最优控制和高阶四极项提供高级功能。
• 通过开源开发和现代工具链提升可用性与社区贡献。

提出的方法

• 开发基于 C++ 的下一代 SIMPSON，采用面向对象设计以加速计算。
• 引入与 EPR 与 DNP 计算兼容的电子自旋相互作用形式，使用不可约张量算子与 Wigner 变换。
• 新增用于电子自旋通道、g 张量、超精细耦合、偶极相互作用与交换项的语法与命令，以支持 EPR/DNP 模拟。
• 实现传播算符分解以加速密度矩阵时间演化。
• 提供脉冲瞬态处理、成形转子调制及通过 rfmap 等相关命令实现的 RF 场分布。
• 将 SIMPSON 与可视化和工作流工具（如 SimPlot、easy nmr 及 SimView）整合，便于数据分析与教学。

Figure 1: Examples of visualisation of and data integration with simpson simulations. (A) The e asy nmr workflow with three different simpson simulations. The left frame shows the three simulation objects, each forwarding data to a plotting object. The right frame shows the content of each object, h

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在 SIMPSON 中扩展以在 EPR 和脉冲 DNP 实验中与核自旋并行准确模拟电子自旋动力学？
• RQ2 哪些计算策略（例如传播算符分解）可以降低大自旋系统密度矩阵演化的开销？
• RQ3 如何在 SIMPSON 中对脉冲整形、瞬态及 RF 不均匀性进行建模，以提升模拟的真实感？
• RQ4 需要哪些新的语法和数据结构来支持电子自旋、超精细和偶极相互作用以及四极跨项的模拟？
• RQ5 改进后的 SIMPSON 界面与工具如何提升易用性与开源磁共振仿真社区的贡献度？

主要发现

• 显著增强了 SIMPSON，使其能够与 NMR 计算并行的电子自旋和 DNP 可模拟。
• 传播分解在较大自旋系中的时间传播与最优控制任务上显著提高了效率。
• 新的电子自旋相互作用形式与相关语法允许在一致的框架中定义 g 张量、超精细、偶极和交换相互作用。
• 通过带有转子调制的脉冲整形和 rfmap 支持，能够建模空间 RF 不均匀性及 MAS 引起的时间调制。
• 更新的 SIMPSON 架构促进了更便于社区贡献及与可视化工具（如 SimPlot、SimView、eAsyNMR）互操作。

Figure 2: (A) Pulse sequence diagrams for 2-pulse and 3-pulse eseem experiments. (B) Simulated echo intensity, $\langle\hat{\mathrm{S}}_{x}\rangle$ ), as a function of the delay time $\tau$ for 2-pulse eseem for a single orientation of an electron-proton two-spin system with ideal pulses (using puls